1400°Cまでの過渡熱測定のためのPt薄膜を用いたマイクロ二重温度・熱流束センシングプローブの開発

将来の飛行体表面における極端な熱の測定

宇宙機や高速航空機が大気中を高速で通過すると、その外皮は一瞬のうちに強烈な熱にさらされます。これらの表面が正確にどれだけの熱を受けるかを把握することは、エンジン、燃料タンク、耐熱コーティングの破損を防ぐために不可欠です。本論文では、多くの溶岩流よりも高温に耐え、急激な熱衝撃を追跡できる高速応答の小型熱センシングプローブを提示します。これは高速機の安全設計に有力なツールを提供します。

なぜ極端な熱の測定が難しいのか

ハイパーソニック試験モデル、タービンブレード、燃焼室の表面は、高速ガスの砂嵐にさらされながら短時間で1000°Cを超えることがあります。伝統的な熱流束センサー（表面に流れ込む熱の速さを測る装置）は、このような環境で困難に直面します。従来設計は比較的大きく、周囲の流れを乱すほか、材料が酸化したり軟化したりして測定がずれたり故障したりします。多くの既存センサーは約1200°C以下が限界で、応答がミリ秒単位かそれ以上と遅く、最新の風洞試験やエンジン研究で見られる鋭く強烈な熱スパイクには不十分で壊れやすいのです。

熱に耐える小さな柱状センサー

研究者らは、白金（Pt）薄膜を巻き付けた直径2ミリメートルのアルミナ（酸化アルミニウム）柱を基にした小型プローブを設計しました。アルミナは電気絶縁性、機械的強度に優れ、概ね1600°Cまで耐えられるため選定されました。このセラミック柱の内部には細いチャネルに電気配線が隠されており、高温で侵食性のあるガスから配線を保護し、電気的ノイズを低減します。外側の白金層はS字状にパターン化されており、長さを稼ぐことで温度変化に対する感度を上げつつ、極めて小さな占有面積に収めています。

薄膜の劣化を防ぐ保護皮膜

非常高温では金属薄膜の表面がガラス上の水滴のように島状に凝集してしまい、電気特性を損なうことが主要な課題です。これを防ぐために、チームは電界流体力学ジェット印刷という精密なインク状の塗布法を用いて、白金をカスタムのアルミナ保護層で被覆しました。高温処理後、この被覆はα-アルミナと呼ばれる致密で安定な結晶相になります。顕微鏡観察とX線測定により、被覆された白金薄膜は1400°Cまで加熱しても表面が平滑で良好に密着していることが示され、被覆のない薄膜はより低温で空隙や粗化が発生することが確認されました。

プローブが熱を信号に変える仕組み

新しいセンサーは二つの相補的な方法で動作します。第一に、白金薄膜が加熱されるとその電気抵抗が予測可能かつほぼ線形に上昇します。膜に定電流を流し電圧変化を追跡することで、表面温度を高精度で算出できます。第二に、既知の熱伝導モデルを用いてその電圧の時間履歴を熱流束（単位面積当たりに流入するエネルギーの率）の時間履歴に変換します。計算機シミュレーションは、プローブの多層構造が入射熱と出力信号の間にほぼ線形のクリーンな関係を生み出すことを確認し、アルミナ層によって維持される圧縮応力が白金を高温で安定に保つのに寄与することを示しました。

センサーの実験的評価

チームはプローブを一連の実験にかけました。炉内試験では、白金薄膜の抵抗が室温から1000°Cまで優れた線形性と再現性で温度を追跡し、被覆版は約1440°Cまで生存し—被覆のない薄膜より約50％高い耐温性を示しました。レーザーを用いた試験で新型プローブと市販の熱流束センサーを比較したところ良好な一致を示しました。最高試験出力では新型装置は約71 kW/m2の熱流束を測定し、フルスケール誤差は1.7％未満、再現性は0.6％より良好でした。急速加熱装置による突発的な熱負荷を模した試験では、プローブの応答時間が約0.2ミリ秒で、3.5 MW/m2を超える熱流束に耐え、赤外線温度計との照合で温度誤差は1％未満でした。

将来の高速飛行への意義

要するに、本研究は温度だけでなく表面にどれほど激しく熱が衝突しているかを計測できる、非常に小型で非常に頑丈かつ非常に高速な温度計を提供します。約1500°C近くに耐え、マイクロ秒オーダーで反応し、小さな柱上に配列して製作できるため、ハイパーソニック機体やエンジン部品の熱負荷を細かくマッピングするのに適しています。この能力は、現実的で極端な条件下で新材料を試験し、より信頼性の高い熱防護システムを設計する手助けとなり、安全な高速飛行の実現に寄与するでしょう。

引用: Wang, H., Kong, M., Wang, H. et al. Development of micro dual temperature–heat flux sensing probe using Pt Thin film for transient heat measurements up to 1400 °C.. Microsyst Nanoeng 12, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01274-5

キーワード: 熱流束センサー, ハイパーソニック風洞, 白金薄膜, 高温測定, アルミナセラミック